Tổng hợp bột hiđroxyapatit kích thước nano bằng phương pháp kết tủa hóa học

147 Tạp chí Hóa học, T. 45 (2), Tr. 147 - 151, 2007 Tổng hợp bột hiđroxyapatit kích thớc nano bằng phơng pháp kết tủa hóa học Đến Tòa soạn 10-4-2006 Đo Quốc H ơng, Phan Thị Ngọc Bích Viện Hóa học, Viện Khoa học v$ Công nghệ Việt Nam Summary Hydroxyapatite (HA) powder was synthesized by simple precipitation method using H3PO4 and Ca(OH)2 at the different temperatures. The obtained HA samples were examined using methods of XRD, SEM, FTIR and TGA. The investigations indicated that precipitating at ambient temperature can create the single phase HA powder with the particle size under 100 nm. I - Mở đầu Hydroxyapatit Ca10(PO4)6(OH)2 l một loại gốm sinh học, có nhiều ứng dụng trong y sinh học do các đặc tính quý giá của chúng: có hoạt tính v độ t3ơng thích sinh học cao với các tế bo v các mô, không bị cơ thể đo thải, tồn tại ở nhiều trạng thái tập hợp,... [1 - 3]. Hydroxyapatit (HA) l khoáng chất chính trong khung x3ơng ng3ời v động vật, ở các dạng xốp v dạng mịn (kích th3ớc 20 - 100 nm). Do vậy, HA đ3ợc dùng để cung cấp canxi v photphat ngăn ngừa chứng loMng x3ơng ở ng3ời. Một lớp HA mịn, mỏng phủ trên x3ơng nhân tạo có tác dụng tăng c3ờng khả năng liên kết với mô v x3ơng tự nhiên hoặc tạo thnh lớp men răng mới cứng chắc, hon ton giống men răng tự nhiên [4]. Mới đây, ng3ời ta còn phát hiện HA dạng xốp có khả năng vận chuyển v phân tán insulin trong ruột [5, 6]. Trên thế giới, việc nghiên cứu chế tạo HA bằng các ph3ơng pháp khác nhau v khảo sát các đặc tính của chúng đang rất phát triển [1, 2]. Trong n3ớc, các hợp chất vô cơ có khả năng ứng dụng lm vật liệu sinh học nói chung v HA nói riêng còn ch3a đ3ợc chú ý nhiều. Bi báo ny trình by quá trình tổng hợp HA bằng con đ3ờng kết tủa đơn giản, từ các hóa chất cơ bản Ca(OH)2, H3PO4, v khảo sát sản phẩm thu đ3ợc bằng các ph3ơng pháp: nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM), hấp thụ hồng ngoại (FTIR) v phân tích sự thay đổi khối l3ợng theo nhiệt độ (TGA). Các đặc tr3ng đM xác định cũng đ3ợc so sánh với số liệu của mẫu HA chuẩn của Viện tiêu chuẩn v công nghệ quốc gia Mỹ (NIST) [7, 8]. II - Thực nghiệm Chuẩn bị mẫu: Bột HA đ3ợc điều chế bằng ph3ơng pháp kết tủa hóa học từ dung dịch H3PO4 v huyền phù Ca(OH)2 trong n3ớc. Các hóa chất sử dụng đều l loại tinh khiết phân tích của Trung Quốc. Ca(OH)2 v H3PO4 đ3ợc chuẩn bị trong n3ớc cất với nồng độ 0,05M v 0,03 M t3ơng ứng. L3ợng dung dịch sử dụng ứng với tỉ lệ Ca/P = 1,70. Dung dịch H3PO4 đ3ợc nhỏ từ từ từng giọt vo cốc đựng huyền phù Ca(OH)2 trên máy khuấy từ. Kết thúc quá trình thêm H3PO4, tiếp tục khuấy hỗn hợp trong khoảng 2h tại nhiệt độ đM định. Sau đó, gạn bớt phần dung dịch trong, thêm n3ớc cất vo khuấy tiếp khoảng 2h nữa để loại Ca(OH)2 d3. Kết tủa tạo thnh sau phản ứng đ3ợc lọc, rửa nhiều lần bằng n3ớc cất, cuối cùng 148 rửa bằng dung dịch H3PO4 0,001 M đến pH trung tính v sấy khô ở 75 - 80oC. Quá trình tổng hợp đ3ợc thực hiện tại ba nhiệt độ: 30oC, 60oC v 90oC. Một phần mẫu sau đó đ3ợc nung đến 600o v 1100oC. Thnh phần pha đ3ợc xác định bằng ph3ơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD), trên máy Siemens D5000 (CHLB Đức). Hình dạng v kích th3ớc hạt đ3ợc xác định từ ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) trên thiết bị Hitachi S4800 (Nhật Bản). Đồng thời, kích th3ớc bên trong của hạt cũng đ3ợc tính từ giản đồ XRD. Khảo sát tính chất nhiệt bằng ph3ơng pháp TGA trong môi tr3ờng khí N2, thiết bị phân tích Shimadzu TGA-50H (Nhật Bản). Mẫu cũng đ3ợc đặc tr3ng bằng ph3ơng pháp phổ hồng ngoại (FTIR), trên máy IMPACT 410- Nicolet (CHLB Đức). III - Kết quả v thảo luận 1. Tổng hợp HA Bằng ph3ơng pháp điều chế đM chọn, quá trình diễn ra theo phản ứng [9]: 10Ca(OH)2 + 6H3PO4 = Ca10(PO4)6(OH)2 + 18 H2O (1) Trong quá trình điều chế, yếu tố pH đóng vai trò quan trọng. Độ pH 9 - 10 đ3ợc điều chỉnh bằng cách thêm từ từ H3PO4 vo Ca(OH)2. H3PO4 l một axit có độ mạnh trung bình, phân ly thnh 3 giai đoạn [9]: H3PO4
H2PO4- + H+ pKa1 = 2,2 (2) H2PO4 -
HPO42- + H+ pKa2 = 7,2 (3) HPO4 2-
PO43- + H+ pKa3 = 12,3 (4) Nh3 vậy, nếu thêm H3PO4 với tốc độ cao, pH của dung dịch sẽ giảm đột ngột, dẫn đến sự phân ly axit không hon ton, tạo ra các ion HPO4 2- v H2PO4 -. Điều đó có thể dẫn đến việc lẫn một phần kết tủa chứa các ion ny (chẳng hạn Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x) trong thnh phần HA tổng hợp đ3ợc. Tỉ lệ Ca/P ban đầu đ3ợc lấy d3 (1,70) so với thnh phần tỉ l3ợng trong công thức của HA (1,67) cũng l để đảm bảo môi tr3ờng pH 9 - 10 cho quá trình phản ứng. 2. Thnh phần pha Trên giản đồ XRD, vạch nhiễu xạ c3ờng độ 100% của Ca(OH)2 ở vị trí 2 = 34o (JCPDS #4- 0733), trùng với vạch c3ờng độ 24% của HA (2 = 34,05o, JCPDS #24-0033). Do vậy, để có thể khẳng định trong sản phẩm HA tạo thnh có còn tồn tại chất đầu Ca(OH)2 hay không, tr3ớc khi đo XRD, mẫu đ3ợc nung đến 600oC. Đến nhiệt độ ny, Ca(OH)2 chuyển thnh CaO theo phản ứng [9]: Ca(OH)2   Co600 CaO + H2O (5) Các vạch nhiễu xạ mạnh của CaO (JCPDS #37-1497) đều ở vị trí tách biệt so với HA. Giản đồ XRD của mẫu HA tổng hợp ở 30oC (mẫu ngay sau tổng hợp v mẫu nung) đ3ợc đ3a ra trên hình 1. Các mẫu tổng hợp ở các nhiệt độ khác cũng cho kết quả XRD t3ơng tự. Trên giản đồ XRD của tất cả các mẫu nung đến 600oC chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc tr3ng cho HA, không thấy sự có mặt của các chất đầu hay tạp chất chẳng hạn nh3 các muối canxi photphat khác. Có thể nói rằng, HA đơn pha đM đ3ợc tạo thnh. So với giản đồ XRD của mẫu HA không nung, trên giản đồ của các mẫu HA nung đến 600o v 1100oC, các vạch nhiễu xạ trở nên hẹp hơn, một số vạch (2 = 32,19, 32,87, 34,05o,...) thể hiện rõ hơn với c3ờng độ t3ơng đ3ơng trong giản đồ của mẫu chuẩn. Điều ny cho thấy độ tinh thể của mẫu ngay sau tổng hợp ch3a cao v quá trình tinh thể hóa tiếp tục xảy ra khi nung mẫu đến nhiệt độ cao. So với mẫu chuẩn NIST, đặc tr3ng XRD của mẫu tổng hợp l hon ton trùng khớp. 3. ảnh hởng của nhiệt độ phản ứng đến hình dạng v kích thớc hạt ảnh SEM của mẫu HA tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau đ3ợc chỉ ra trên hình 2. Mẫu tổng hợp ở 90oC: hạt khá đồng đều với dạng hình trụ, di khoảng 200 - 300 nm, đ3ờng kính d3ới 50 nm. 149 Mẫu tổng hợp ở 60oC: so với mẫu tổng hợp ở 90oC, kích th3ớc hạt nói chung giảm, các hạt co ngắn hơn, nhiều hạt có chiều di d3ới 100 nm, đ3ờng kính trung bình khoảng 30 - 40 nm. Mẫu tổng hợp ở 30oC: kích th3ớc hạt giảm đáng kể, hạt trở nên cân đối hơn, chiều di còn khoảng 50 nm, đ3ờng kính khoảng 20 nm. Nh3 vậy, khi tổng hợp ở nhiệt độ thấp, xung quanh nhiệt độ phòng có thể thu đ3ợc bột HA khá mịn với kích th3ớc trung bình d3ới 50 nm. Đối với mẫu đ3ợc tạo ra ở 30oC, kích th3ớc hạt bên trong (hiểu theo nghĩa l các domen tinh thể, mỗi hạt thông th3ờng bao gồm nhiều domen tinh thể nhỏ) cũng đ3ợc xác định từ giản đồ nhiễu xạ tia X. Bằng ph3ơng pháp Warren- Averbach [10], từ độ rộng vạch nhiễu xạ 2 = 25,88o, ứng với phản xạ (002), giá trị kích th3ớc hạt theo khái niệm trên đ3ợc xác định nằm trong khoảng 11-13 nm. Giá trị ny nh3 vậy cũng phù hợp với kích th3ớc hạt xác định bằng ph3ơng pháp SEM. Mẫu HA chuẩn cũng có dạng hình trụ, di khoảng 100 - 300 nm v đ3ờng kính 50 - 150 nm. a b c Hình 1: Giản đồ XRD mẫu HA không nung (a), nung ở 600oC (b) v nung ở 1100oC (c) a a b c Hình 2: ảnh SEM của các mẫu HA đ3ợc tổng hợp ở (a) 90oC, (b) 60oC v (c) 30oC 4. Đặc trng nhóm phân tử bằng phổ hồng ngoại Phổ hồng ngoại của mẫu HA (hình 3) thể hiện các vân hấp thụ đặc tr3ng cho nhóm PO4 3- (ở vùng 1030 - 1100, 960, 560 - 600, 470 cm-1), nhóm OH- (630, 3570 cm-1) của HA v một vân hấp thụ của H2O tự do ở vùng 3430 v 1630 cm -1. Ngoi ra, trên phổ còn xuất hiện vân hấp thụ đặc tr3ng cho nhóm CO3 2- ở 1410 - 1470 cm-1 v ở khoảng 870 cm-1. Điều ny chứng tỏ trong quá trình tổng hợp, Ca(OH)2 đM bị cacbonat hóa một phần, tạo thnh nhóm CO3 2-, thay thế cho nhóm PO4 3- hoặc nhóm OH- trong thnh phần của HA (khối l3ợng nhóm CO3 2- chiếm khoảng 0,032% khối l3ợng ton bộ mẫu HA tiêu chuẩn [7]). Phổ IR của mẫu tổng hợp về cơ bản cũng phù hợp với phổ của mẫu chuẩn NIST. 5. Đặc trng nhiệt của các mẫu HA Giản đồ TGA t3ơng tự nhau đối với tất cả các mẫu HA (một mẫu đại diện đ3ợc thể hiện trên hình 4). Sự thay đổi khối l3ợng thể hiện rất rõ qua hai giai đoạn, từ nhiệt độ phòng đến khoảng 400oC v trên 700o đến 1000oC. Giai đoạn giảm khối l3ợng thứ nhất có thể xem l ứng với sự mất n3ớc tự do (n3ớc ẩm) v một 150 phần của n3ớc hấp thụ trong tinh thể. Giai đoạn thứ hai l sự tiếp tục mất n3ớc kết tinh v có thể liên quan đến quá trình decacbonat hoá, phân huỷ phần nhóm CO3 2- có mặt trong mẫu. Có thể cho rằng, sau 600oC quá trình mất n3ớc vẫn tiếp tục vì phổ IR của mẫu HA nung đến 600oC vẫn thể hiện một vân hấp thụ rộng của n3ớc ở khoảng 3430 cm-1, trong khi đó vân phổ ny không còn xuất hiện trên phổ IR của mẫu nung đến 1100oC. Số sóng, cm-1 Số sóng, cm-1 Số sóng, cm-1 a b c Hình 3: Phổ IR của mẫu HA không nung (a), nung ở 600oC (b) v nung ở 1100oC (c) Cũng trên phổ IR của mẫu nung đến 1100oC (hình 3c), vân hấp thụ đặc tr3ng cho nhóm CO3 2- đM biến mất. Điều ny kết hợp với sự xuất hiện của CaO trên giản đồ XRD của chính mẫu HA ny (các vạch đặc tr3ng với 2 = 37,35, 53,85o) đM chứng minh cho sự decacbonat hóa mẫu nh3 đM thể hiện trên đ3ờng TGA. Nhiệt độ, oC Hình 4. Giản đồ TGA của mẫu HA1 Vì trên giản đồ XRD của mẫu HA nung đến 1100oC (hình 1c), chỉ có mặt pha HA v pha CaO, không có tricanxi photphat Ca3(PO4)2, nên có thể cho rằng, phần CaO tạo thnh chỉ liên quan đến sự decacbonat hóa nhóm CO3 2- có mặt trong mẫu, chứ không liên quan đến sự phân huỷ HA tạo thnh CaO v Ca3(PO4)2 [11]. Thêm nữa, trên giản đồ TGA, phần giảm khối l3ợng trong khoảng 700oC đến 1000oC, vừa do mất n3ớc vừa liên quan đến quá trình phân huỷ ny, chỉ chiếm khoảng 1,4% tổng khối l3ợng mẫu. Nh3 vậy, có thể xem mẫu HA tổng hợp bền đến nhiệt độ đM nung l 1100oC. IV - Kết luận Bằng ph3ơng pháp kết tủa đơn giản từ Ca(OH)2 v H3PO4 đM tổng hợp đ3ợc hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2 đơn pha, t3ơng đối mịn với kích th3ớc hạt d3ới 100 nm v bền nhiệt đến 1100oC. Các kết quả nghiên cứu đM khẳng định nhiệt độ v độ pH trong quá trình tổng hợp l những thông số quan trọng, có ảnh h3ởng quyết định đến chất l3ợng v kích th3ớc hạt HA. Các đặc tr3ng của mẫu HA tổng hợp về cơ bản l phù hợp với mẫu chuẩn NIST. Các ph3ơng pháp hóa học tổng hợp HA từ các chất ban đầu khác nhau đang đ3ợc tiến hnh nghiên cứu. Các tác giả cám ơn Giáo sF Đặng Vũ Minh (ChFơng trình nghiên cứu cơ bản 2005-2006) v$ Viện Hóa học (Đề t$i cơ sở chọn lọc 2005) đN hỗ trợ kinh phí thực hiện công trình n$y. % T % T % T 151 Ti liệu tham khảo 1. M. P. Ferraz, F. J. Monteiro, C. M. Manuel. Journal of Applied Biomaterials & Biomechanics 2, P. 74 - 80 (2004). 2. H. S. Liu,T. S. Chin, L. S. Lai, S. Y. Chiu, K. H. Chung, C. S. Chang & M. T. Lui. Ceramics International 23, P. 19 - 25 (1997). 3. M. Sinha, S. B. Qadri, et al. 10th Foresight Conference on Molecular Nanotechnology (2002), www.foresight.org 4. Kazue Yamagishi, Kazuo Onuma, Takashi Suzuki, Fumio Okada, Junji Tagami, Masayuki Otsuki, Pisol Senawangse. Nature, Vol. 433, P. 819 (2005). 5. Li-yun Cao, Chuan-bo Zhang, Jian-feng Huang, Synthesis of hydroxyapatite nanoparticles in ultrasonic precipitation, Ceramics Inter. (2005) (in press). 6. W. Paul, Ch. Sharma. Porous hydroxyapatite nanoparticles for instestinal delivery of insulin, Trends in Biomaterials & Artificial Organs., Vol. 14, P. 37 - 38 (2001). 7. M. Markovic, B. O. Fowler, Ming S. Tung. J. Research of the National Ins. of Standards and Technology, Vol. 109, No. 6, P. 553 - 568 (2004). 8. E. Bouyer, F. Gitzhofer, M. I. Boulose. Materials in Medicine 11, P. 523 - 531 (2000). 9. Lê Thị Cát T3ờng. Luận án tiến sĩ, H Nội (2005). 10. Zhengwen Yanga, Yinshan Jianga, YuJie Wang, Liyan Ma, Fangfei Li. Materials Letters 58, P. 3586 - 3590 (2004).